变化中的流域“自然-社会”二元水循环理论与研究方法

在人类活动和气候变化影响下,流域水循环发生了深刻变化。水多、水少、水脏、水浑等流域水问题背后的科学基础是"自然-社会"二元驱动力作用下的流域水循环及其伴生的水环境、水生态过程的演变机理,有效解决这些水问题需要一套流域"自然-社会"二元水循环理论来支撑。本文在简述二元水循环研究历程的基础上,从水循环的驱动力、结构、功能属性和演变效应等方面,对比分析了自然水循环和"自然-社会"二元水循环的不同特征,阐述了变化中的流域"自然-社会"二元水循环的基本原理,包括学科范式、科学问题、研究内容与研究方法等。文章还讨论了二元水循环研究面临的机遇与挑战,如水资源的数量-质量-效率统一度量与转化问题及解决方法等,并进行了研究总结。

成渝地区碳足迹时空格局演化与影响因素分析

成渝地区作为中国西部的重要经济区域,如何在保持高速发展的同时,有效控制碳排放,是一个亟待解决的问题。本文以成渝地区各市级行政区为研究单元,从自然-社会二元系统视角对其碳足迹进行测算和分析,探索碳足迹的时空格局演变特征和影响因素,为实现“碳达峰”提供政策建议。主要研究内容包括:1)基于自然生态系统和社会经济系统二元视角的碳足迹测算;2)通过探索性时空数据分析方法综合分析碳足迹的时空格局演化特征;3)基于改进Kaya模型的碳足迹分解与影响因素分析。本文旨在揭示成渝地区碳足迹水平提升的主要原因,找出实现“碳达峰”的关键所在,为制定区域差别化的碳减排措施提供科学依据。

基于二元理论的塔河干流水资源耗散研究

随着上世纪以来塔里木河源流区及干流区农业引水量的逐渐增加及本世纪以来塔里木河流域近期综合治理工程的实施,水文系统和人类系统已演变为一个耦合系统,有必要基于“自然-社会”二元理论,将人类活动视为系统的内生变量,结合监测数据从自然和社会角度细致刻画与核算塔里木河干流河道内外的水资源耗散情况,为塔里木河的水资源的合理配置和科学管理提供技术支撑。经分析,河段1-5多年平均综合河道耗散水量为42.81亿m^3,单位河长损失量介于216万m^3/km^381万m^3/km之间;社会经济耗散水量14.06亿m^3中主要为农业,虽然研究区高效节水灌溉面积持续增加,但由于各种原因利用率较低,尚需加强高效节水配套设施建设与管理,进一步提高水资源利用的效率和效益,为塔里木河的水资源的合理配置提供科学依据。

基于水资源通用配置与模拟模型的邯郸市水资源优化配置

为实现区域水资源的动态调控,立足河北邯郸市水资源本底条件差且管理需求高的现状,利用水资源通用配置与模拟(general water allocation and simulation,GWAS)模型构建了基于自然-社会二元水循环的动态邯郸市水资源配置模型,在选用1980—2016年和2020年相关数据分别对模型水循环模块和配置模块开展参数率定和验证的基础上,对区域2025年和2035年平水年(保证率P=50%)、枯水年(P=75%)的水资源分别进行配置。结果表明:邯郸市2025年平水年和枯水年的配置水量分别为22.43×10^(8)m^(3)和21.53×10^(8)m^(3),缺水率分别为11.70%和22.13%,缺水口主要在农业;2035年平水年和枯水年的配置水量分别为25.02×10^(8)m^(3)和23.31×10^(8)m^(3),缺水率分别为4.53%和21.81%,其缺水情况较2025年明显改善;受邯郸市天然水资源匮乏和西高东低的地势影响,全市水资源缺口主要在西部武安市和东部邱县;未来邯郸市地下水仍是主要供水水源,但随着生态文明建设和地下水综合治理的纵深推进,其占比将逐渐下降,而外调水和非常规水的供水量将有所增加。可见,研究成果可为邯郸市实施水资源动态配置提供技术支撑,对实现区域水资源动态管理具有重要的现实意义。

2001—2009年中国碳排放与碳足迹时空格局

碳排放引发的全球变暖给自然环境及人类社会都带来了显著影响,而碳足迹可以衡量自然生态系统对人类活动碳排放的响应。为研究自然-社会二元系统碳动态,基于MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)数据和统计资料计算2001—2009年中国陆地植被净初级生产力、能源消费碳排放、碳足迹和碳赤字;在GIS(Geographic Information System)技术支持下,运用空间自相关分析方法讨论其时空格局;据此划分生态经济区。结果表明:(1)2001—2009年全国植被净初级生产力(Net Primary Production,NPP)平均值为3.32 Pg C/a(1 Pg=1015g),呈西南地区>东南沿海>华中、华东地区>东北、华北地区>西北地区的空间格局;(2)2001—2009年全国能源消费碳排放逐年增加,年均增长率16.7%,多年平均值2.53 Pg C/a,呈东部>中部>西部的空间格局;(3)2001—2009年全国碳足迹逐年增加,年均增长率14.7%,多年平均值6.98×106km2;具有正碳赤字(即碳源)的省份为山西、环渤海地区各省、长三角地区各省、广东;相邻省份碳赤字的相对大小由于互相影响而改变;(4)全国分为中东部、南部、北部、西部四个生态经济大区。研究结果直观揭示了中国碳排放和碳足迹的时空动态,为实现自然-社会二元系统的可持续发展提供科学依据。

基于水资源综合模拟与调配一体化模型的北京市水资源模拟分析

在探讨2007—2018年北京市水资源供需平衡情况的基础上,利用WAS模型对1980—2018年北京市水资源进行动态模拟研究,分析区域自然-社会水循环转化模式,探讨社会水循环与自然水循环的转化机理。结果表明:2007—2018年北京市年均需水量(实部、虚部)呈上升趋势,年均蓝水供水量36.85亿m^(3),绿水供水量16.90亿m^(3);需水缺口呈显著增大趋势,年均水资源缺口为165.20亿m^(3);1982—2010年北京市多年平均及25%、50%和75%径流总量特征频率年模拟与实测误差率分别为7.0%、4.8%、1.2%和0,模型精度较高;各计算单元自然水循环下出流量由东北部向西南部递增,自然-社会水循环下实际出流量有所下降。

区域水资源可持续发展能力的模糊可变评价

针对区域水资源可持续发展能力的评价问题,基于"自然-社会"二元模式,识别出了自然、社会和水资源3个因素的影响因子,构造了第一层由3个因素、第二层由21个指标组成的多层次评价指标体系,构建了基于相对差异函数的模糊可变评价模型。以开封市为研究实例进行了评价,结果显示:2012年兰考县和通许县的水资源可持续发展能力为Ⅱ级(较强),其他县(区)的水资源可持续发展能力为Ⅲ级(中等)。通过实例验证,表明该评价模型具有较好的适用性和合理性,指标的代表性和覆盖性较好,特别是针对较小的评价区域,能够有效地识别出指标差异,获得精准的评价等级。

海河流域二元水循环及其伴生过程综合模拟

在全球气候变化和高强度人类活动的影响下,海河流域水资源短缺、水环境恶化及生态退化等问题日益凸显.如何合理解决这些问题成为流域水资源管理中面临的紧迫任务.由于水循环承载着每一滴水的形成和转化,同时又与水生态、水环境等过程相伴生,且相互作用,只有将三者结合起来,明确了解水循环演变驱动下的水生态、水环境的演变趋势,才能有助于问题的根本解决.为全面诊断和解决流域水资源、水生态与水环境的问题,本研究在全面剖析流域水循环演变"自然-社会"二元特性的基础上,构建海河流域二元水循环及其伴生过程综合模拟平台,并以此为工具通过基于气候模式预测结果与水量控制条件的情景设置,对水资源、水生态和水环境的未来演变情势进行了预估.结果表明:结合气候变化,通过实施耗水控制管理和南水北调工程,未来水平年(2030年)海河流域在保证国民经济用水增长的同时,水资源的消耗量、地下水的超采量、入海水量可实现良性发展,与此相伴生的水环境恶化得到缓解,自然生态系统和农田生态系统的生产能力将呈增长趋势.这为开展流域水循环调控和实施最严格的水资源管理制度奠定了基础.